配套课件-计算机图形学.ppt
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1、第1章绪论1.1计算机图形学概述计算机图形学概述1.2计算机图形学的发展史计算机图形学的发展史1.3计算机图形学的应用计算机图形学的应用1.4计算机图形学的研究方向计算机图形学的研究方向1.1 计算机图形学概述计算机图形学概述计算机图形学(Computer Graphics,CG)是研究使用计算机输入、表示、处理和显示图形的原理、方法及硬件设备的一门学科。国际标准化组织(ISO)把它定义为:计算机图形学是研究通过计算机将数据转换为图形,并在专门显示设备上显示的原理、方法和技术的学科。美国电气和电子工程协会(IEEE)把它定义为:计算机图形学是借助计算机产生图形图像的艺术和科学。美国的James
2、 Foley把它定义为:计算机图形学运用计算机产生、存储、处理物体的物理模型和它们的画面。德国的Wolfgang K Giloi把它定义为:计算机图形学=数据结构+图形算法+语言。另外,按照不同的使用设备和系统,还有所谓的交互式计算机图形学和光栅图形学的概念。前者是指利用键盘、鼠标、光笔等人机交互设备,对计算机产生的图形的内容、形式、大小、颜色等进行动态控制;后者是指所显示的图像是由按行和列排列的像素阵列组成的。容易与计算机图形学的概念混淆的是图像处理。随着学科的发展,图形和图像已经没有明确的界限了。计算机图形学的主要目的是由数学模型生成真实感图形,其结果本身就是数字图像。当然,图形有别于对实
3、物拍摄或捡取的照片。图形是运算形成的抽象产物,而图像是直接量化的原始信号形式。它们的定义及区别如下:图形(graphics):计算机中由场景的几何模型和景物的物理属性表示的图形,它强调场景的几何表示,记录图形的形状参数与属性参数。它的显示形式是基于线条信息的矢量图和基于明暗处理后的图像图。图像(image):计算机中以具有颜色信息的点阵所表示的图形,它强调图形由哪些点组成,记录点及其灰度或色彩。计算机图形学的基本含义是使用计算机通过算法和程序在显示设备上构造出图形。也就是说,图形是人们通过计算机设计和构造出来的,不是通过摄像机或扫描仪等设备输入的图像。计算机所设计和构造的图形可以是现实世界中已
4、经存在的物体的图形,也可以是完全虚构的物体。长期以来,计算机图形学、图像处理、模式识别和计算几何四个技术领域密切相关。图1-1概括了它们之间的关系。图1-1 计算机图形学、图像处理、模式识别和计算几何之间的关系图像处理:对图像进行分析、加工和处理,使其满足视觉、心理以及其他要求的技术。图像处理中,输入的是质量低的图像,输出的是质量改善后的图像。常用的图像处理方法有图像变换、图像增强、图像复原、图像编码压缩等。模式识别:对所输入的图像进行分析和识别,找出其中蕴涵的内在联系或抽象模型的技术,如邮政分检设备、地形地貌识别等。计算几何:研究几何模型和数据处理的学科,是讨论几何形体的计算机表示、分析和综
5、合的技术。计算机图形学的研究内容涉及用计算机处理图形信息的硬件和软件两方面的技术,主要是围绕着生成的图形图像的准确性、可靠性、高效性、真实性和实时性的基础算法,大致可以分为以下4类。(1)图形的输入:研究如何输入图形或图形数据到计算机中。(2)图形的表示:研究如何在计算机内存和外存中表达和存储图形。(3)图形的处理:研究如何将某种形式表达的图形转换成另一种表达形式。(4)图形的显示与输出:研究如何将计算机中以某种形式表达的图形生成可见的图像。图形的底层结构是点、线、面的基本形态要素及其组合。由于点是表示图形的基本元素,因此图形算法就是说明如何把点有机地组织起来。图形数据包括形体几何元素(点、线
6、、面)之间的连接关系以及各种属性信息。图形处理的数据和图形显示的数据不同,通常图形显示的数据只是整个图形处理数据的某些部分、视图或画面。图形处理包括对图形数据进行旋转、平移、缩放等几何变换,以及各种投影变换。在生成最终图形之前,往往还需要消除隐藏线和隐藏面,以及进行明暗、阴影、透明、纹理或色彩等处理。综上所述,我们把从几何模型和数据转变为图形的过程概括为:建立物体模型存储该模型产生物体图像对该图像进行操作、修改、完善。1.2 计算机图形学的发展史计算机图形学的发展史20世纪50年代,计算机图形学处于萌芽阶段。20世纪60年代,计算机图形学处于发展阶段。20世纪70年代,计算机图形学处于推广应用
7、阶段。20世纪80年代,计算机图形学处于系统实用化阶段。20世纪90年代以来,计算机图形学进入标准化、集成化、智能化阶段。1.3 计算机图形学的应用计算机图形学的应用1.计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)由于设计周期短、成本低、质量高,CAD/CAM是计算机图形学的一个最广泛、最活跃的应用领域,如飞机、汽车、船舶、宇宙飞船、计算机、大规模集成电路、民用建筑、服装等设计。2.科学计算可视化科学计算可视化是指运用计算机图形学和图像处理技术,将科学计算过程中产生的数据及计算结果转换为图形或图像在屏幕上显示出来,并进行交互处理的理论、方法和技术。3.虚拟现实虚拟现实也称虚拟实境,是一种可以创建和体
8、验虚拟世界的计算机系统,它利用计算机技术生成一个逼真的,具有视、听、触等多种感知功能的虚拟环境。4.计算机艺术现在的美术人员,尤其是商业艺术设计人员都热衷于用计算机软件从事艺术创作。可用于美术创作的软件很多,如二维平面的画笔程序(CorelDraw、PhotoShop、PaintShop)、专门的图表绘制软件(Visio)、三维建模和渲染软件包(3DMAX、Maya),以及一些专门生成动画的软件(Alias、Softimage)等,可以说是数不胜数。5.用户接口用户接口是人们使用计算机的第一观感。一个友好的图形化的用户界面能够大大提高软件的易用性。在DOS时代,计算机的易用性很差,编写一个图形
9、化的界面要花费大量的时间和精力,过去的软件中有60的程序是用来处理与用户接口有关的问题和功能的。1.4 计算机图形学的研究方向计算机图形学的研究方向1.计算机辅助设计与制造随着网络技术、人工智能、多媒体、虚拟现实等技术的进一步发展,使得人们对产品设计过程有了更深的认识,对设计思维的模拟达到新的境界。计算机辅助设计将朝着多元化、优化、一体化的方向发展,人机交互方式更加自然,创新设计的手段更为先进、有效。2.虚拟现实虚拟现实技术是一项发展中的高度集成的技术,涵盖了计算机软/硬件、传感器技术、立体显示技术等,其研究内容大体上可分为技术本身的研究和技术应用的研究两大类。根据虚拟现实技术所倾向的特征的不
10、同,目前虚拟现实系统主要划分为四个层次,即桌面式、增强式、沉浸式及网络分布式。纵观多年来的发展历程,虚拟现实技术的未来研究仍将遵循“低成本、高性能”这一原则,从软、硬件的发展上展开,其主要研究方向有:(1)动态环境建模技术。(2)实时三维图形生成和显示技术。(3)新型交互设备的研制。(4)大型网络分布式虚拟现实的应用。3.计算机动画在全球图形学的盛会Siggraph上,几乎每年都有计算机动画的专题,其研究方向主要有:(1)动画自动生成技术。(2)可视化与虚拟现实进展。4.科学计算可视化科学计算可视化虽然是近年来才发展起来的,但它的研究进展很快,已取得了一些研究成果,其研究方向主要有:(1)可视
11、化变量的研究。(2)可视化时空模型的研究。(3)符号系统的研究。(4)心理学和认知科学的研究。(5)非空间数据可视化处理的研究。第2章计算机图形系统2.1计算机图形系统的组成、计算机图形系统的组成、功能及分类功能及分类2.2图形设备图形设备2.3图形软件图形软件2.1 计算机图形系统的组成、计算机图形系统的组成、功能及分类功能及分类1.图形系统的组成计算机图形系统应由硬件设备及相应的程序系统(即软件)两部分组成。严格说来,用户也是系统的组成部分。交互系统是人与计算机及图形设备协调运行的系统,并且人始终处于主导地位。2.图形系统的功能作为一个图形系统,至少应具有计算、存储、输入、输出、对话等五方
12、面的基本功能,各功能的关系如图2-1所示。图2-1 图形系统基本功能框图图形系统的各功能介绍如下:(1)计算功能:包括图形的描述、分析和设计;图形的平移、旋转、投影、透视等几何变换;曲线、曲面的生成;图形之间相互关系的检测等。(2)存储功能:图形数据库可以存放各种图形的几何数据及图形之间的相互关系,并能快速、方便地实现对图形的删除、增加、修改等操作。(3)输入功能:通过图形输入设备可将基本的图形数据(如点、线等)和各种绘图命令输入到计算机中,从而构造更复杂的几何图形。(4)输出功能:图形数据经过计算后可在显示器上显示当前的状态以及经过图形编辑后的结果,同时还能通过绘图仪、打印机等设备实现硬拷贝
13、输出,以便长期保存。(5)对话功能:用户可通过图形显示器及其他人机交互设备直接进行人机通信,可以通过显示器观察设计结果和图形,用选择拾取设备对不满意部分作出修改。系统还可追溯以前的工作步骤,对用户操作执行的错误给予必要的提示和跟踪。3.图形系统的分类1)以大型机为基础的图形系统该系统以大型机为主机,具有容量庞大的存储器和极强的计算机功能。系统配有若干台功能较强的高分辨率图形显示器,高速度、高精度、大幅面的绘图机,大幅面的数字化仪及硬拷贝机。该系统所用软件往往是自行开发的(尚无通用的)且仅限内部使用。2)以中型机或超级小型机为基础的图形系统(20世纪70年代后期)该系统主要是以32位超级小型机作
14、为系统核心,配有大容量(硬盘)内存和外存,高分辨率显示器、一台大幅面绘图仪和大幅面数字化仪。3)以图形工程工作站为基础的图形系统该系统的主要配置有:CPU至少为四核(频率在2 GHz以上),有条件的可配多处理器;内存至少为2 GB,最好选用4 GB以上;硬盘容量应大于146 GB,硬盘的控制接口最好采用SAS或SSD接口,以加快存取速度并减少CPU的占用时间;配有专业图形加速卡;24寸以上专业型图形显示器,点距要在0.24 cm,分辨率为16001050以上;工程图扫描输入设备及矢量化软件系统。4)以微型机为基础的图形系统该系统中,以高档微机为基础,除配上一般的I/O外设外,为提高图形设计计算
15、速度,往往还应配置一些专用硬件。2.2 图图 形形 设设 备备2.2.1 图形输入设备图形输入设备1.键盘键盘是计算机中使用最普遍的输入设备,它一般由按键、导电塑胶、编码器以及接口电路等组成。键盘上通常有上百个按键,每个按键负责一个功能,当用户按下其中一个键时,键盘中的编码器能够迅速将此按键所对应的编码通过接口电路输送到计算机的键盘缓冲器中,由CPU进行识别处理。当用户按下某个键时,它会通过导电塑胶将线路板上的这个按键排线接通以产生信号,产生的信号会迅速通过键盘接口传送到CPU中。计算机键盘的功能就是及时发现被按下的键,并将该按键的信息送入计算机。键盘中有发现下按键位置的键扫描电路,产生被按下
16、键代码的编码电路,将产生代码送入计算机的接口电路,这些电路统称为键盘控制电路。依据键盘工作原理,可以把计算机键盘分为编码键盘和非编码键盘。编码键盘的键盘控制电路的功能完全依靠硬件自动完成,能够自动将按下键的编码信息送入计算机,响应速度快,但它以复杂的硬件结构为代价,而且其复杂性会随着按键功能的增加而增加。非编码键盘的键盘控制电路的功能要依靠硬件和软件共同完成,它的响应速度不如编码键盘快,但它可通过软件为键盘的某些按键重新定义,为扩充键盘功能提供了极大的方便,因此,得到了广泛的使用。与编码键盘不同,非编码键盘并不直接提供按键的编码信息,而是用较为简单的硬件和一套专用程序来识别按键的位置。2.鼠标
17、器鼠标器是一种移动光标、定位和做选择操作的计算机输入设备。除键盘外,它是目前使用最广泛的计算机输入装置。鼠标器的基本工作原理是:当移动鼠标器时,鼠标器中的译码器把移动的距离和方向信息变成脉冲信号送入计算机。计算机再把脉冲信号换算成鼠标器的坐标数据,从而达到指示位置的目的。市场上的鼠标有光电与机械、有线和无线、普通与人体工程学之分。按鼠标工作原理,可将其分为机械式鼠标、光电式鼠标、无线遥控式鼠标等;按照按键的数目,可分为两键鼠标、三键鼠标及滚轮鼠标等;按照接口类型,可分为PS/2接口、串行接口、USB接口的鼠标。鼠标的主要性能指标有:分辨率。该值越大,鼠标越灵敏,定位也越精确。使用寿命。一般说来
18、,光电式鼠标比机械式鼠标寿命长。响应速度。鼠标响应速度越快,意味着在快速移动鼠标时,屏幕上的光标能做出及时的反应。抗震性。要选择外壳材料比较厚实、内部元件质量较好的鼠标。3.数字化仪数字化仪的主要技术指标有:有效面积,是数字化仪上电磁感应板的面积,即用户可以在多大的面积上用光笔(或其他输入笔)进行绘图。有效面积越大,绘图的扩展余地也就越大,当然由于使用的电磁感应板的面积扩大,价格自然也就随之上升了。精度,是光笔在数字化仪的电磁感应板上可以表现出的最小的精确度。精度越高,绘制出的图形也就越精准。不过目前由于计量单位不同,因此有的产品是用英寸来标识的,有的是以毫米作为标识的,选购时应该注意一下。分
19、辨率,是指数字化仪可以将被绘制对象每英寸上可以被表示成的点数,点数值越大,绘制出的效果也就越好。目前数字化仪的分辨率都已经达到了2000线以上,如果小于这个值的话则是淘汰的产品。重复精度,也称为最大精度,是指数字化仪在同一区域内,重复的绘制输入的精确度。这个指标同样使用英寸或毫米来标识。一般来说,目前数字化仪的重复精度在0.5英寸(或12.7 mm)左右。波特率,是网络中经常使用的一个技术指标,在这里则是指数字化仪和计算机系统交换、传输的速度。它是指每秒钟设备或网络之间能够传输的二进制信息位数。数据传输速率,虽然波特率表示了数字化仪的传输速度,但是设备之间数据的交换往往是成组传输的,因此在波特
20、率提高的情况下,每秒钟数据能够传输的组数也就成为影响数据传输的主要因素。输出格式,对于数字化仪来说,在应用中可能会遇到各种各样的软硬件系统,因此支持的输出格式越多越好,如果太少,则可能会造成操作中的局限性。4.光笔光笔是一种铅笔状的光检出器,亦称“光枪”,具有选图和跟踪两种基本功能。选图(又称标定或指点)是对显示器上已显示的图形或字符进行加工处理;跟踪是用光笔拖动光标实现定位,可用于图形编辑。光笔的形状和普通钢笔相似光笔,它由透镜组、光导纤维、光电元件、放大整形电路和接触开关组成,如图2-2所示。图2-2 光笔的结构组成示意图 光笔的工作过程是:将光笔对准阴极射线管的显示屏,在光笔指点处的光点
21、被光笔感受后,将光信号转换成电信号,经放大传入计算机;通过程序翻译,便可使计算机迅速知道光笔指点处所显示的数据,以及如何对它进行处理。5.图形扫描仪扫描仪的工作过程是:将光线照射在扫描的材料上,光线反射回来后由电荷耦合器件(CCD)等光敏元件接收并实现光电转换,转换成为用1和0的组合表示的数字信息,之后控制扫描仪操作的扫描仪软件读入这些数据,并重组为计算机图像文件。扫描仪的技术指标有:分辨率:表示扫描仪对图像细节上的表现能力,即决定了扫描仪所记录图像的细致度,其单位为dpi(dots per inch)。通常用每英寸长度上扫描图像所含有像素点的个数来表示。目前大多数扫描的分辨率在3002400
22、 dpi之间。dpi数值越大,扫描的分辨率越高,扫描图像的品质越好,但这是有限度的。如对于丝网印刷应用而言,扫描到6000 dpi就已经足够了。灰度级:表示图像的亮度层次范围。级数越多,扫描仪图像亮度范围越大、层次越丰富,目前多数扫描仪的灰度为256级。256级灰阶中以真实呈现出比肉眼所能辨识出来的层次还多的灰阶层次。色彩数:表示彩色扫描仪所能产生颜色的范围,通常用比特位(bit)表示。bit是计算机中最小的存储单位,以0或1来表示比特位的值,越多的比特位数可以表现越复杂的图像信息。例如常说的真彩色图像指的是每个像素点由三个8 bit的彩色通道所组成即24位二进制数表示,将红、绿、蓝通道结合,
23、可以产生224=16.67 M(兆)种颜色的组合,色彩数越多,扫描图像越鲜艳真实。扫描速度:它与分辨率、内存容量、软盘存取速度以及显示时间、图像大小有关,有多种表示方法,通常用指定的分辨率和图像尺寸下的扫描时间来表示。扫描幅面:表示扫描图稿尺寸的大小,常见的有A4、A3、A0幅面等。6.触摸屏1)电子触摸屏电子触摸屏是将一个两层导电和高透明度的物质做的薄膜涂层涂在玻璃或塑料表面上,再装到屏幕上;或直接将涂层涂到屏幕上。两个透明涂层之间约有0.0025 mm的距离,当手指触到屏幕时,在接触点产生一个电接触,使该点处的电阻发生变化。通过测得电阻的改变量就能确定触摸的位置。2)光学触摸屏光学触摸屏利
24、用红外线和光电转换原理制成。在与屏幕尺寸相仿的框架的水平和垂直边框上各安装均匀密布的红外线发送器和接收器。使用时,把框架安装在屏幕四周,用手指在屏幕上点一下,在指点处障碍物挡住了一条垂直红外线和一条水平红外线,相应的两个红外线接收器发出电信号,根据发出信号的接收器所在位置可知障碍物所在点坐标,将坐标值送入计算机进行处理。3)声学触摸屏声学触摸屏由发射器、反射器和触摸屏等组成,其中发射器和反射器一起工作。声源发射器沿玻璃板的水平和垂直方向交替地发射高频声波脉冲,当用手指触摸屏幕时,有一部分声波被反射回声源处,通过计算声波脉冲从发射到反射回声源发射器的时间间隔,来确定手指的位置。7.数据手套、跟踪
25、定位器和空间球数据手套是一种多模式的虚拟设备。通过软件编程,可进行虚拟场景中物体的抓取、移动、旋转等动作,也可以利用它的多模式性,用作一种控制场景漫游的工具。在虚拟装配和医疗手术模拟中,数据手套是不可缺少的一个组成部分。跟踪定位器是虚拟现实系统中用于空间跟踪定位的装置,一般与其他虚拟现实设备结合使用,如数据头盔、立体眼镜、数据手套等,使参与者在空间上能够自由移动、旋转,不局限于固定的空间位置,使操作更加灵活、自如、随意。定位器有六个自由度和三个自由度之分。空间球是虚拟现实应用中的另一重要的交互设备。它用于六个自由度虚拟现实场景的模拟交互,可从不同的角度和方位对三维物体观察、浏览、操纵;也可作为
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